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Verfahren und Vorrichtung zur Kraftübertragung mittels in Säulenform
befindlichen tropfbaren Preßflüssigkeiten. Die vorliegende Erfindung betrifft in
erster Linie ein Verfahren zur Kraftübertragung mittels in Säulenform befindlicher
tropfbarer Flüssigkeiten, das dadurch gekennzeichnet ist, daß in der Flüssigkeit
periodische, sich wellenförmig fortpflanzende Änderungen von Druck und Volumen zwischen
einem Generator und einem Empfänger erzeugt werden.
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Derartige Druckwellen entstehen in der Flüssigkeitssäule, wenn die
Geschwindigkeit des Generatorkolbens in bestimmtem Verhältnis zum Kolbenhube und
zur Länge der Flüssigkeit steht. Bewegt sich gemäß älteren Vorschlägen der Generatorkölben
langsam, und ist der Kolbenhub verhältnismäßig groß, so wird die Flüssigkeit der
Leitung als Ganzes hin und her verschoben, besonders wenn die Leitung verhältnismäßig
kurz ist; es herrscht dann an allen Stellen längs der Flüssigkeitssäule zu einer
bestimmten Zeit der gleiche Druck, und die Flüssigkeitssäule bildet in bekannter
Weise ein hydraulisches Gestänge.
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Im Gegensatz hierzu tritt nach vorliegender Erfindung bei kleinen!
Kolbenhube und großer Hubzahl im Verlaufe der Flüssigkeitssäule eine periodische
Veränderung des Drucks und des Volumens ein. Es bilden sich infolge der Zusammendrückbarkeit
und der Elastizität der tropfbaren Flüssigkeit, Wasser, 01, Glyzerin o. dgl.
Druckwellen, indem zu einer ' bestimmten Zeit längs der Flüssigkeitssäule Druckmaxima
und Druckminima entstehen, die sich wellenförmig in der Flüssigkeitssäule fortpflanzen,
die nunmehr eine sehr große Länge erhalten kann.
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Man kann demnach diese Flüssigkeitssäulen wegen des in ihnen entstehenden
hohen Preßdrucks als Preßflüssigkeit bezeichnen. Die "Zahl der Preßflüssigkeitssäulen
kann eins, zwei, drei oder mehr betragen. Für stoßartig wirkende Werkzeuge, Stoßpumpen
u. dgl. genügt eine einzige Preßflüssigkeitssäule. Zum Betriebe von Motoren können
zwei oder drei Preßflüssigkeitssäulen Verwendung finden.
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Die Zahl der Druckwellen (Periodizität) kann innerhalb weiter Grenzen
schwanken. Als Beispiel einer geeigneten Periodizität möge ein Dreiphasengenerator
angenommen werden, dessen Kolben 70 mm Durchmesser und 2o mm Hub bei einer Umdrehungszahl
von 8oo in der Minute besitzen. Dieser Generator wird etwa ao P. S. auf eine Strecke
i-on ungefähr i 6oo m übertragen, die einem @-ielfachen der bei Anwendung von Wasser
im Stahlrohr auftretenden Wellenlänge von io5 m entspricht. In diesem Falle ist
kein hydraulischer Ausgleicher (condenser) erforderlich, der aus einem Gehäuse mit
einer federnden, in die Leitung eingeschalteten Membran oder einem Kolben besteht,
auf dessen beide mit den Abteilungen der Leitung zusammenhängenden Enden Federn
wirken, die den Kolben in einer mittleren Lage zu halten bestrebt sind.
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Wenn aber der Abstand zwischen Generator und Empfänger kein Vielfaches
der Wellenlänge
beträgt, so kann der Trägheit der überschießenden
Länge der Preßflüssigkeitssäule durch einen Ausgleicher entgegengewirkt werden.
Nimmt man im eben erwähnten Beispiel an, daß der Abstand zwischen Generator und
Empfänger a6o m beträgt, so wird zur Aufhebung der von den zwei Wellenlängen überschießenden
5o m Preßflüssigkeitssäule herrührenden Trägheitswirkungen ein Ausgleicher erforderlich
sein. Auf diese Weise kann der Maximaldruck am Generator und am Empfängerende der
Rohrleitung auf das Minimum reduziert werden, das nötig ist, um die Flüssigkeitsreibung
und die Belastung am Empfänger zu überwinden.
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Aus der Ähnlichkeit dieser Vorgänge mit elektrischen Schwingungserscheinungen
ergibt sich, daß die Wellenlänge bei größeren Frequenzen, also bei höheren Umdrehungszahlen
abnehmen, und daß in manchen Fällen die Elastizität der Rohre und der Flüssigkeit
genügen kann, um die Energie auf eine Entfernung zu übertragen, die kein Vielfaches
der Wellenlänge ist, ohne daß ein Druck entsteht, der einen Ausgleicher erforderlich
macht.
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Die Abmessungen der Vorrichtung, also die Beziehungen zwischen Kolbenhub,
Umdrehungszahl, Länge der Preßflüssigkeitssäule und Größe der zu übertragenden Energie
können durch Rechnung und praktische Versuche ermittelt werden.
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Die Vorrichtungen zur Ausübung des neuen Verfahrens ergeben sich aus
den in den Zeichnungen veranschaulichten verschiedenen Ausführungsformen. Abb. i
zeigt einen Längsschnitt, der einen Generator und die an ihn angeschlossenen Vorrichtungen
darstellt.
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Abb. 2 ist eine ähnliche Ansicht einer weiteren Ausführungsform des
Generators. Abb. 3 ist ein Vertikalschnitt durch den Generator gemäß Abb. 2.
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Abb. q. ist ein Schnitt in einer Ebene im rechten Winkel zu Abb. 3.
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Abb. 5 ist ein Grundriß des Generators nach Linie 5-5 (Abb. 3).
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Abb. 6 ist ein Grundriß nach Linie 6-6 (Abb. 3). Abb. 7 zeigt schematisch
eine ganze Anlage nebst Anordnung der Ausgleicher und der Einrichtungen zur Beeinflussung
des Beharrungsvermögens.
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Die Abb. 8 und 9 zeigen einen Ausgleicher und eine Einrichtung zur
Änderung des Beharrungsvermögens zwischen zwei Flüssigkeitssäulen.
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Abb. io zeigt eine einfachere Ausführungsform des Ausgleichers, während
die Abb. ii und 12, abgeänderte Ausführungsformen des Ausgleichers zeigen.
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Abb. 13 zeigt die Kombination eines Umformers mit einem Ausgleicher
und einer \rorrichtung zur Beeinflussung des Beharrungsvermögens.
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Gemäß Abb. i besitzt der Generator zwei Kolben b, b, deren
hin und her gehende Bewegung durch Daumenscheiben, Exzenter c oder andere Mittel
bewirkt wird. Die Kolben arbeiten in zwei Kammern d, d, von denen jede vermittels
eines Rohres e mit einem Empfänger verbunden ist, der in diesem Falle gleichfalls
zwei Kolben ähnlich denen des Generators besitzt, um Kraft in irgendeiner Weise
zu übertragen.
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An jedes Rohre ist ein Behälter f angeschlossen, in
dem ein Differentialkolben ä gleitet, dessen stärkeres Ende nach dem Generator hin
liegt, während das schwächere Ende in einem Zylinder von kleinerem Durchmesser arbeitet
und Kraft nach der Preßflüssigkeitssäule des dahinterliegenden Rohres übermittelt.
In jedem Rohre ist eine Kammer h, angeordnet, die durch eine elastische Membran
k geteilt ist, die als ein Ausgleicher (condenser) wirkt. Die Bewegung der Preßflüssigkeit
in der Kammer auf der Generatorseite veranlaßt eine Bewegung der Membran k, deren
Elastizität eine Rückwärtsbewegung herbeiführt. Auf diese Weise wirkt die Membran
dem Beharrungsvermögen der Preßflüssigkeitssäule in dem Rohre entgegen.
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Auch kann in jedem Rohre eine hydraulische Vorrichtung zur Beeinflussung
des Beharrungsvermögens der Preßflüssigkeit angeordnet werden, bestehend aus einer
schweren Masse 1, die kleinere Kolben m und n besitzt, deren Enden
in Zylindern gleiten, von denen der eine mit dem Rohr der Generatorseite und der
andere mit dem Rohr der Empfängerseite . zusammenhängt.
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Die durch den Generator. veranlaßten Schwingungen der Preßflüssigkeit
werden mittels des Differentialkolbens in Schwingungen von höherem Druck umgeformt;
in gleicher Weise werden die Schwingungen der Preßflüssigkeit auf einer Seite der
Membran des hydraulischen Ausgleichers nach dessen anderen Seite übermittelt; der
Rückstoß dient infolge der auftretenden Elastizität dazu, der Preßflüssigkeitssäule
die Energie wiederzugeben, die ihr bei ihrer Vorwärtsbewegung genommen wurde. Die
Schwingung wird auf diese Weise nach der Empfängerseite des Ausgleichers übermittelt,
so daß dem Beharrungsvermögen der Preßflüssigkeitssäule entgegengewirkt wird.
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Ein in der Preßflüssigkeitssäule angeordneter Ausgleicher der vorbeschriebenen
Art wird also auf die Schwingungen der Preßflüssigkeitssäule so einwirken, daß das
Beharrungsvermögen der Säule aufgehoben wird, und daher ist es ratsam, den Ausgleicher
und die Rohrlänge sowie die Schwingungsperiode
so zu regeln, daß
die hohen Druckwirkungen aufgehoben werden, die infolge (les Beharrungsvermögens
der Preßflüssigkeitssäule entstehen können.
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Um die genauen diesbezüglichen Werte des Ausgleichers und des Beharrungsvermögens
zu erhalten, kann die Hilfsvorrichtung zur Beeinflussung des Beharrungsvermögens,
bestehend aus einem belasteten Kolben, so abgeändert werden, daß die Wirkung völlig
aufgehoben wird, die von dem Beharrungsvermögen der Preßflüssigkeitssäule und der
Elastizität des Ausgleichers herrührt. Vermittels dieser beiden Teile der Vorrichtung
ist es möglich,. eine periodische Bewegung in der Preßflüssigkeitssäule zu erhalten,
bei der eine Resonanz oder Übereinstimmung zwischen der natürlichen Schwingungsperiode
der Preßflüssigkeitssäule mit ihrem Ausgleicher und den Hilfsvorrichtungen zur Beeinflussung
des Beharrungsvermögens und den vom Generator erzeugten Schwingungen erzielt wird,
die von der Geschwindigkeit abhängen, mit der der Generator umläuft. Auf diese Weise
kann der Kraftverlust bei der Kraftübertragung auf ein Minimum, nämlich nur auf
in den Rohren auftretende Reibungsverluste herabgemindert werden.
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Gemäß Abb. 2 der Zeichnung können auch drei Preßflüssigkeitssäulen
zwischen dem Generator und dem Empfänger angeordnet werden. Der Generator r (Abb.
3 bis 6) kann in diesem Falle aus sechs Zylindern 2 bestehen, die hin und her bewegliche
Kolben 3 besitzen, wobei die Kolbenpaare in der Phase um i2o° und die beiden Kolben
jedes Paares um i8o° zueinander versetzt sind. Ein Kolben jedes Paares ist dann
an eine Preßflüssigkeitssäule d. angeschlossen, und die anderen drei Kolben können,
wie Abb. 2 zeigt, an einem gemeinsamen Punkt 5 miteinander verbunden werden. In
diesem Falle können die Ausgleicher mit einer Seite ihrer Membranen an die Preßflüssigkeitssäulen
angeschlossen werden, während die anderen Seiten der Membranen miteinander verbunden
sind, wie in Abb. 7 angedeutet ist. Der Empfänger kann dann in einer ähnlichen Art
und Weise wie der Generator angeordnet sein, indem drei Kolben an die Preßflüssigkeitssäulen
angeschlossen und die drei anderen in einem gemeinsamen Punkt vereinigt sind.
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Es ist einleuchtend, daB verschiedene Ausführungsformen der Erfindung
gemacht werden können, je nach der besonders zweckmäßigen Art und Weise der in verschiedenen
Fällen erwünschten Kraftübertragung. Ferner ist klar, daß der Ausgleicher 8 oder
die Hilfsvorrichtung 9 zur Beeinflussung des Behar-. rungsvermögens erwünschtenfalls
quer zu zwei Preßflüssigkeitssäulen e, e angeordnet werden können, wie dies die
Abb. 8 und 9 zeigen.
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In der Vorrichtung zur Kraftübertragung sind Ausgleicher benutzt,
die, wie Abb. io zeigt, aus einer Kammer 15 bestehen, in der eine elastische Membran
16 angeordnet ist. Gemäß Abb. i r kann aber auch ein Kolben i i an Stelle der Membran
benutzt werden, der durch zweckentsprechende Federn 12 beeinflußt wird, die das
Bestreben haben, den Kolben in einer mittleren Lage zu halten, oder es kann endlich
eine elastische Kammer 13 (Abb. r2) innerhalb einer zweiten Kammer 1q. `'erw endung
finden, wobei die innere Kammer mit dem Generator und die äußere Kammer finit dem
Empfänger oder aber auch umgekehrt verbunden ist.
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Der Umformer und die Vorrichtung zur Beeinflussung des Beharrungsvermögens
können, falls erwünscht, auch gemäß Abb. 13 miteinander kombiniert werden. Es hat
sich ergeben, daß dort, wo die Frequenz des periodischen Druckes hoch und die Amplitude
der Bewegung klein ist, es unnötig ist, Ausgleicher einzuschalten, da die Elastizität
der Rohre an sich genügt, um das Auftreten von übermäßigem Druck zu verhüten, und
aus diesem Grunde kann in einzelnen Fällen deshalb die Kraftübertragung auf sehr
lange Entfernungen ohne besonderen Ausgleicher bewirkt werden.